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    A356 鋁合金組織和性能分析-博迅電阻爐的使用!

    返回列表 來源:未知 發布日期:2019-10-12 10:25【

    0 引言

    近年來汽車核心部件如發動機等更新換代速度不斷加 快,在越來越重視環保、節能減排的今天,要求發動機具有更 輕的質量且能適應更苛刻的使用環境,具有更好的抗疲勞性 能和耐磨損性能等。由于鋁及鋁合金具有一系列優點,被廣 泛應用于汽車制造業中,而性能杰出的 A356 系列鋁合金是 亞共晶 Al-Si 系合金中應用最廣的合金之一,正可滿足當前 汽車向輕量化、節能化、舒適化和多樣化的發展需求。近 年來,A356 系列鋁合金在汽車制造業中的應用突飛猛進、與 日俱增,尤其是在力學性能要求較高的復雜鑄件上。但 未經強化工藝處理的鑄態 A356 鋁合金的力學性能,尤其是 塑性很低,這是因為 A356 鋁合金在常規熔煉工藝和澆注過 程中易產生氣孔、疏松和 Si 偏析等缺陷,對合金的使用性能 產生極為不利的影響。

    1 實驗

    1.1 試驗材料

    主要試驗材料: A356 鋁合金( w( Si) = 7. 02%,w( Mg) = 0. 30%,w( Fe) = 0. 17%,Al 為余量,質量分數,下同) ,自制 Al-5Ti-1B-1RE 中間合金( RE 為富鈰稀土) 、鑄態 Al-10Sr 中 間合金,鋁及鋁合金專用覆蓋劑、除氣劑、精煉劑,高純石墨 棒、上海博迅SX2-2.5-10Z智能一體式箱式電阻爐、ZGXF-0. 0005 型真空感應電磁 懸浮熔煉爐設備等。

    1.2 試驗方法

    1. 2. 1 常規細化變質處理試驗

    將一定量鑄態的 A356 鋁合金、Al-5Ti-1B-1RE 中間合金 和 Al-10Sr 中間合金錠進行打磨,去除表面的氧化皮,然后在 超聲波震蕩器中進行清洗、烘干,配料稱量。同時將盛有等 質量的 A356 鋁合金的石墨坩堝分別置于兩個條件完全相同 的 KSL-12-JY 型井式電阻爐中加熱,升溫至 750 ℃,待第一個 石墨坩堝中的 A356 鋁合金熔體完全熔化后,進行保溫、精 煉、除氣、扒渣、澆注,制備試樣 a。同時在第二個 A356 鋁合 金熔體中分別加入為熔體質量 0. 80%的自制新型 Al-5Ti-1B1RE 中間合金晶粒細化劑與鑄態的 0. 30%Al-10Sr 中間合金 變質劑,用高純石墨棒進行攪拌,然后保溫、精煉、除氣、靜 置、扒渣、澆注,制備試樣 b。

    1. 2. 2 真空感應電磁懸浮熔煉細化變質處理試驗

    用丙酮將 ZGXF-0. 0005 型真空感應電磁懸浮熔煉爐和 石英玻璃罩清洗干凈,避免雜質混入。打開水閥門,接通冷 卻水,確保水壓不超過 0. 3 MPa,水溫不超過 60 ℃。接通電 源,啟動升降機構,下降物架臺,將處理好的 A356 鋁合金、為 合金質量 0. 80%的自制 Al-5Ti-1B-1RE 和 0. 30%的鑄態 Al10Sr 中間合金分別裝入熔煉爐內,然后蓋上石英玻璃罩密 封,擰緊固定螺帽,上升物架臺,使感應線固定在合適的熔煉 爐位置上。打開機械泵,抽真空,使指針指在真空表盤紅色 區域內并保持穩定,按加熱按鈕,緩慢調節功率旋鈕,輸出電 流為 80 A,工作頻率為 17. 3 kHz,熔煉時間為 3 min,待合金 熔煉結束后,旋回功率旋鈕,使合金自然冷卻至室溫。然后 關掉機械泵和抽真空旋鈕,打開放氣閥,使真空表盤指針回 到初始位置,下降物架臺,取下石英玻璃罩,取出復合細化變 質處理后的合金并清理熔煉爐和石英玻璃罩,關掉電源和冷 卻水,制備試樣 c。

    2 結果與分析

    由細化變質處理試驗可知,未經細化變質處理的 A356 鋁合金試樣 a,其基體 α-Al 相呈無規則分布,共晶 Si 相形態 差異較大,呈現細長的板片狀或長針片狀,分布沒有方向性, 也不規則,邊緣帶有鋒利的尖角,長度大多在 40 ~ 60 μm,寬 度為 4 ~ 6 μm,長徑比達到 10 以上,具有明顯的小平面生長 特征,如圖 1a 所示。這樣的組織形態易造成應力集中,顯著 影響基體的連續性,并割裂基體,故力學性能較低。將 a 加 工成標準試樣并測試得到其抗拉強度、伸長率、布氏硬度分別為 177. 56 MPa、1. 17%、68. 70HB,如圖 2 中的 a 所示。 常規復合細化變質的 A356 鋁合金試樣 b,其基體 α-Al 相 形狀和尺寸變得較均勻細小,排列緊密,形狀較規則,晶界清 晰可見,二次枝晶大幅減少,主要為細小、致密的等軸晶組織。 共晶硅相的形貌也發生了顯著的變化,片層狀共晶硅幾乎完 全消失,轉變為均勻彌散、球化充分的顆粒。共晶硅尺寸大多 在 5~ 10 μm 之間,且輪廓清晰,主要集中分布在晶界處,起到 晶界強化作用( 如圖 1b 所示) ,使合金的力學性能顯著提高, 將 b 加工成標準試樣并測試得到其抗拉強度、伸長率、布氏硬 度分別為 242. 06 MPa、6. 54%、76. 61HB,如圖 2 中的 b 所示。 經真空感應電磁懸浮熔煉細化變質處理的 A356 鋁合金 試樣 c,其基體 α-Al 相呈現規則的圓整等軸晶狀,尺寸大多 在 10 ~ 20 μm,長徑比在 1 ~ 2 之間,如圖 1c 所示。共晶硅形 貌呈現細密的纖維狀,共晶硅尺寸大多在 1 ~ 2 μm 之間。無 論是在 α-Al 晶粒細化方面,還是在共晶硅相變質方面均比 常規復合細化變質的試樣 b 更勝一籌。再由圖 1d 的電鏡顯 微組織圖片可以看到,真空感應電磁懸浮熔煉細化變質處理 后的共晶硅相呈現更清晰的形貌,尤其是綠色橢圓區域中的 圖像,尺寸更均勻、細小。將其放大后,如圖 1e 所示,可以明顯 看到,共晶硅相很圓整,接近于球形,共晶硅相對基體的切割 作用將明顯變小,其變質級別變高。根據美國鑄造學會( AFS) 提供的亞共晶 Al-Si 合金變質級別圖表作為評定標準,經 評定共晶硅細化變質效果為 5 級,達到完全變質。將試樣 c 加工成標準試樣并測試得到其抗拉強度、伸長率、布氏硬度 分別為 253. 72 MPa、7. 16%、78. 10HB,如圖 2 中的 c 所示。


    3 結論

    ( 1) 與常規復合細化變質 A356 鋁合金相比,在真空感應 電磁懸浮熔煉細化變質工藝條件下,A356 鋁合金的抗拉強 度、伸長率及布氏硬度分別提高了 4. 82%、9. 48%、1. 94%,可 見其力學性能明顯提高,尤其是塑性。
    ( 2) 當 ZGXF-0. 0005 型真空感應電磁懸浮熔煉爐線圈通 以交變輸出電流 80 A,頻率為 17. 3 kHz 時,線圈周圍空間產 生的懸浮力恰與合金的自重平衡,使合金懸浮。
    ( 3) 在真空感應電磁懸浮熔煉細化變質處理過程中,熔 體的對流運動比常規熔煉細化變質工藝劇烈得多,晶粒之間 的互相碰撞、相對運動更強烈,致使枝晶臂被剪切而折斷、破 碎與增殖的現象更明顯,形核率 I 更大,并遺傳到凝固組織 中,因此其細化變質效果及力學性能更佳。

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